MFFD纵向焊缝焊接成功，世界上最大的CFRTP（碳纤维增强热塑性复材）机身顺利完成

作为欧盟资助的清洁天空2/清洁航空项目的一部分，“大型客机”（LPA）、 弗劳恩霍夫（德国施塔德）及其国际项目合作伙伴联合打造了上下8米长和4米长的飞机- 多功能机身演示器 (MFFD)的直径外壳，采用自动定位和焊接两条纵向接缝。这被认为是世界上最大的碳纤维增强热塑性材料（CFRTP）飞机机身部分。 

MFFD 代表了一种以 1:1 比例展示的热塑性复合材料飞机机身自动化生产的新架构。该项目显示出在高速生产中可减轻约 10% 的重量并节省 10% 的成本。

上壳和下壳： 热塑性下壳在压力和温度下在高压釜中固化（固结），由GKN Fokker、Diehl Aviation、荷兰航空航天中心 – NLR 和代尔夫特理工大学组成的财团提供，作为STUNNING 项目的一部分。热塑性上壳采用铺带工艺（原位固结）制造，由 Premium AEROTEC、空客、Aernnova 和德国航空航天中心 – DLR ZLP组成的财团提供。

两种外壳均具有高度预集成度，采用几乎无铆钉的架构，与现状相比重量减轻了 10%。自动化预集成还开辟了提高效率和局部灵活性的潜力，因为所有组件不再需要被放入封闭的机身并在狭窄的条件下手动组装。此外，飞机结构重量的减轻导致运行期间燃油效率的提高。

CO 2 激光和超声波焊接。项目协调员空中客车公司与MFFD项目团队合作，选择对左侧纵缝采用CO 2激光焊接，对右侧纵缝采用超声波焊接，将上下机身外壳连接成一体的机身部分。这两种工艺都具有无尘接合的优点。然而，它们尚未用于如此大型 CFRP 部件的生产或研究，也尚未满足此处所需的质量要求。无尘连接的需求源于两个壳体与大量结构和系统部件的首次预集成，这些部件也是通过焊接组装的，这无法随后去除灰尘和切屑。

自动化装配研究平台。弗劳恩霍夫与其合作伙伴FFT Produktionssysteme 一起，在 CFK NORD 研究中心（德国施塔德）的 LPA 项目“机身装配多功能自动化系统”中，为 MFFD 设计并建造了自动化装配研究平台，包括中央系统和过程控制。线”（MultiFAL）。

施塔德 FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT 的 MultiFAL 装配研究平台，带有 MFFD 的插入热塑性机身外壳。用于夹持和高精度调整上壳形状和位置的黄色六足机器人清晰可见。来源 |弗劳恩霍夫IFAM

其他项目合作伙伴随后将他们的技术模块集成到该平台中。弗劳恩霍夫沿着工艺链执行的其他任务最初包括使用开发的夹具来拉紧下壳，这使得下壳能够在后续工艺的装配空间中高精度对齐。然后使用高架起重机插入上壳。所有进一步的处理步骤都是完全自动化的。由 10 个六足机器人组成的场地以亚毫米精度定位两个外壳，使用激光传感器随时设置外壳的最佳形状和位置，并在必要时重新调整它们。

CO 2激光焊接。为了通过激光焊接工艺实现左机身连接，沿着两个壳体的纵向边缘分层放置长达 4.5 米的细 CFRTP 对接带。外壳具有阶梯式轮廓，可容纳对接带。用于送带、定位和边缘密封的所有解决方案均由弗劳恩霍夫在 LPA 项目中开发，该项目名为“对接带集成技术开发与工具设计、验证、主要部件组装和操作中的实施”(BUSTI)。

CFRTP 对接带（左侧）作为两个 MFFD 热塑性机身外壳的连接，由 BUSTI 项目中的 CO 2激光焊接末端执行器（右侧）连接，在 MultiFAL 装配研究平台中完成。来源 |弗劳恩霍夫IFAM

在 BUSTI 内，弗劳恩霍夫制造的带子通过带子处理工具精确定位在接缝上，并通过滚动运动集成到自动化过程中，以便紧随其后的焊接头的振荡激光束通过镜子引导，可以连续熔化表带和外壳表面之间形成的接触线。激光焊接末端执行器上的压力装置以高达 1 吨的接合力将带子压在上下壳体接头上，在同一工作步骤中加固焊缝。

为了防止焊接过程中的高压损坏机身结构，在焊接后的机身部分内同步运行了吸力和消散装置。激光焊接过程使用了在线监测和控制系统，可通过数字孪生实现直接数字数据交换，从而实现过程优化和质量保证。

自动间隙填充。由于不可避免的制造公差和定位过程所需的自由度，带子和壳体的阶梯式连接区域无法无缝连接在一起，因此仍然存在宽度不规则的小间隙。这些会损害焊接接头的质量，因此在焊接过程后必须完全填充热塑性材料——但在任何情况下都必须避免多余的材料。

与激光焊接末端执行器一样，紧凑型挤出机沿着先前创建的连接缝被引导。该挤出机加热颗粒/颗粒形式的热塑性材料并将其输送到间隙。在那里，喷嘴确保材料在冷却和硬化之前填充间隙。局部间隙体积（对于精确填充量而言至关重要）是通过集成到同一间隙填充末端执行器中的 2D 传感器预先测量的。该测量结果被传输到挤出机系统，从而可以动态计算现场所需的排出速率，从而使 3-20 毫米宽的不规则间隙充满每个点所需的准确数量的熔融热塑性材料。

超声波焊接：选择自动超声波焊接作为右侧纵向接缝的连接方法，以便从研究工作中获得尽可能多的重要见解，以便以后在生产中使用。与激光焊接相比，只有壁较薄的机身接缝部分（即机门环境之外的接缝部分）可以通过这种方式连接。然而，它提供了较低的职业安全工作，不需要激光保护单元，并且在同步并行过程方面的投资也较低。

弗劳恩霍夫还与合作伙伴 CT Engineering Group、Aimen、Aitiip 和 Dukane 合作开展了 LPA 项目“用于优化、快速和准确的纵向管接头闭合的焊接设备”(WELDER) 。这种合作带来了快速、可靠和自动化的纵向接缝超声波焊接工艺。

与上述激光焊接工艺一样，自动化连续超声波焊接工艺使用在线监测和控制系统，可通过数字孪生实现直接数字数据交换，以实现工艺优化和质量保证。

进一步的研发工作和项目的成功完成。 随后，WELDER 项目合作伙伴于 2024 年 3 月通过电阻焊将上下壳体之间的框架连接起来，结束了德国施塔德 CFK NORD 研究中心对 MFFD 的研究工作。弗劳恩霍夫协会于 2024 年 3 月 14 日在比利时布鲁塞尔举行的最后一次会议上介绍了其所参与的三个项目的成功及时完成。这些结果已提交给独立专家和所有为演示做出贡献的合作伙伴。

MFFD 是继 LPA 项目“自动化客舱和货物衬里以及 Hatrack 安装方法”(ACCLAIM)中用于自动化客舱装配的 1:1 比例平台之后，弗劳恩霍夫协会做出重大贡献的第二个 Clean Sky 2 大型演示项目。于2021年初顺利实现。

MFFD 热塑性复合材料机身部分已运往应用航空研究中心 (ZAL)（德国汉堡）。在那里，除其他事项外，它将最终完成机舱皇冠模块的集成。然后它将用于进一步的测试和演示目的。

弗劳恩霍夫表示，结合从 MFFD 演示器中获得的知识，它将为感兴趣的公司提供成熟的技术模块，供其工业化。其他技术将被纳入后续的研究项目中，以便在未来的生产中进一步提高效率并降低资源消耗。除飞机机身外，目标结构还包括垂直尾翼和低温氢气罐系统。除了航空业之外，陆地或海上交通工具也是技术转让的重点。

所描述的结果是由弗劳恩霍夫与所有提到的项目合作伙伴合作开发的。弗劳恩霍夫代表项目合作伙伴感谢欧盟委员会的资助。